殼體結構

殼體結構

殼體結構通常是指層狀的結構。它的受力特點是,外力作用在結構體的表面上,如機車手的頭盔、貝殼等。常用於各類工業設計領域。殼體結構是由空間曲面型板或加邊緣構件組成的空間曲面結構。殼體的厚度遠小於殼體的其他尺寸,因此殼體結構具有很好的空間傳力性能,能以較小的構件厚度形成承載能力高、剛度大的承重結構,能覆蓋或維護大跨度的空間而不需要空間支柱,能兼承重結構和圍護結構的雙重作用,從而節約結構材料。

基本介紹

  • 中文名:殼體結構
  • 受力:受壓
  • 作用:經濟、實用、美觀
  • 典例:國家大劇院
作用,分類,套用,難點一,難點二,

作用

殼體結構可做成各種形狀,以適應工程造形的需要,因而廣泛套用於工程結構中,如大跨度建築物頂蓋、中小跨度屋面板、工程結構與襯砌、各種工業用管道壓力容器與冷卻塔反應堆安全殼無線電塔、貯液罐等。工程結構中採用的殼體多由鋼筋混凝土做成,也可用鋼、木、石、磚或玻璃鋼做成。
中國自50年代以來,用殼體結構建成許多實用、經濟、美觀的房屋建築,如烏魯木齊市某金工車間直徑60米的橢球面殼,北京火車站大廳35×35米雙曲扁殼,大連港倉庫屋蓋16個23×23米組合型扭殼。
殼體的曲面,可由直線曲線旋轉而形成,其大部分是正高斯曲率,或由直線或曲線平移而形成,也可根據特殊情況而形成複雜曲面。也稱無筋扁殼。曲面的形狀根據使用要求和受力性能選定。殼體兩表面之間的中間曲面稱為中面,殼體的中面、厚度及邊緣形狀決定殼體的全部幾何特性

分類

分類介紹
殼體結構的種類很多,多根據曲面的幾何特性(即兩個方向主曲率k1、k2的乘積K,稱為高斯曲率)進行分類。當k1、k2同號時,K為正值,稱正高斯曲率殼;當k1、k2異號時,K為負值,稱負高斯曲率殼;當k1和k2中有一個為零時,K為零,稱零高斯曲率殼;此外,尚有混合型曲率殼,即一個殼體內兼有正、負高斯曲率部分。
正高斯曲率殼體:有旋轉成形的圓球面殼、橢球面殼、拋物面殼;有平移成形的橢圓拋物面扁殼,簡稱雙曲扁殼。
負高斯曲率殼體:有旋轉成形的雙曲面殼;平移成形的雙曲拋物面扭殼(包括單塊扭殼和四塊組合型扭殼)、雙曲拋物面鞍形殼。
高斯曲率殼體:有旋轉成形的圓柱面殼、錐面殼;平移成形的開口圓柱面殼、橢圓柱面殼、拋物線柱面殼。
混合型曲率殼體:如膜型扁殼,也稱無筋扁殼。這種殼在給定荷載作用下只產生均勻相等的薄膜壓力,其大部分是正高斯曲率,只在角隅區是負高斯曲率。鋸齒形變曲率雙曲扁殼有時也屬此類。
殼體按殼的厚度與最小曲率半徑的比值,分為薄殼、中厚殼和厚殼。比值小於1/20的一般稱薄殼,多用於房屋的屋蓋;中厚殼及厚殼多用於地下結構、防護結構。
分類方法
計算要點  殼體的內力和變形計算比較複雜。為了簡化,薄殼通常採用下述假設:材料是彈性的、均勻的,按彈性理論計算;殼體各點的位移比殼體厚度小得多,按照小撓度理論計算;殼體中面的法線在變形後仍為直線且垂直於中面;殼體垂直於中面方向的應力極小,可以忽略不計。這樣就可以把三維的彈性理論問題簡化成二維問題進行計算。在考慮喪失穩定的問題時,需要採用大撓度理論並求解非線性方程。厚殼結構的計算則不能忽略垂直於中面方向的應力變化,並按三維問題進行分析(見殼的計算)。

套用

位於人民大會堂西側的“巨蛋”———國家大劇院採用殼體結構安裝。一台600噸巨型履帶吊車將第一塊長35米、重38噸的鋼組合梁緩緩吊起,安裝到大劇院中心45米高的預定位置上。根據施工方案,巨型“蛋殼”將被分成數十塊分批吊裝。
國家大劇院殼體結構國家大劇院殼體結構
國家大劇院的基礎結構矗立於一片開闊地中,其頂部第一塊“蛋殼”已經安裝到位,工人們正在進行加固工作。約二三十個同樣的鋼組合梁被整齊地碼放在附近一片窪地里。在工地中央,專門從上海運到北京600噸重的巨型履帶吊車正靜靜地等待著。
“蛋殼”面積為3.5萬多平方米,相當於上海大劇院屋頂面積的3倍多,鋼結構總重達6750噸。由於整個結構沒有一根柱子支撐,全靠弧形鋼樑承重,這樣又大又高又重的曲線殼體在施工時有著前所未有的難度。

難點一

:“釣線”長達108米
由於國家大劇院的鋼結構外殼東西跨度達212.24米,南北跨度為143.64米,吊車無法進行近距離安裝,而裡面已被歌劇院、音樂廳、戲劇院三組巨大建築以及地下深達三四層的輔助設施等擠滿。
對策600噸巨型履帶吊車進行遠距離高空作業,用長達108米的“釣線”以“空中釣魚”的方式將一塊塊“蛋殼”送到四五十米的高空,組成鋼結構穹頂。

難點二

:最大誤差不超2厘米
在安裝鋼結構設施時,七項精度控制誤差最大累計不能超過2厘米,如此精度要求在鋼結構建築史上前所未有。
對策先後承建過金茂大廈東方明珠電視塔超高建築的施工公司進行了精心的技術準備,攻克了殼體施工過程中整體結構穩定、曲面結構高精度測量等高科技難題。

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